Кратко — ключевое отличие: RISC — небольшой набор простых, обычно одинаковой длины и load/store-архитектура; CISC — богатый набор сложных, переменной длины инструкций с множеством адресаций и часто реализуемых микрокодом. Это различие прямо влияет на компиляторы, энергопотребление, микрокод и применение в встраиваемых/мобильных системах.
1) Влияние на дизайн компиляторов
- RISC: компилятор делает больше работы (распил сложных операций на последовательность простых, регистровая аллокация, расписание). Но из-за простоты инструкций легче выполнять агрессивное планирование, регистровое переименование, векторизацию и предсказуемую постановку конвейера. Компилятор ориентирован на генерацию большого числа коротких инструкций; оптимизации — регистровый бекендинг, расписание (scheduling).
- CISC: компилятор может использовать сложные одношаговые операции (адресация/строка копирования) и за счёт этого уменьшать число инструкций. Но генерация кода сложнее (pattern-matching, peephole, сложные селекторы инструкций). В современных реализациях x86 компилятор/бэкенд часто целит не в реальные CISC-инструкции, а в микрооперации (micro-ops), поэтому компилятор-семантика стремится к тому же, что и для RISC.
- Практический эффект: количество сгенерированных инструкций $N$ и среднее число тактов на инструкцию $CPI$ дают число тактов на задачу $T=\frac{N\cdot CPI}{f}$. RISC обычно имеет больше $N$ но меньше $CPI$; CISC — наоборот.
2) Энергопотребление
- Общая энергия на задачу примерно: $$E_{task}=\sum _i{N}_i\cdot E_{instr,i}+N_{mem}\cdot E_{mem}$$ где $E_{instr,i}$ — энергия выполнения инструкции типа $i$.
- RISC: меньшая сложность декодера и контроллера, большее число регистров уменьшает обращения к памяти; простые инструкции имеют меньшую энергию за инструкцию $E_{instr}$. Однако большее число инструкций $N$ увеличивает суммарную энергию на fetch/decode. Компромис: для современных мобильных систем часто выигрывает RISC (меньше расход на декод/микрокод, проще оптимизировать локальность), особенно с компрессией кода (Thumb, ARM Thumb-2, RVC в RISC-V) снижается энергозатратность fetch.
- CISC: меньший $N$ может снизить энергию fetch/памяти, но сложный декодер и микрокод/микроопы увеличивают энергию на инструкцию $E_{instr}$. Современные x86 переводят инструкции в micro-ops, добавляя энергоёмкий decode/translation этап.
3) Микрокод и реализация
- RISC: минимальный или отсутствующий микрокод. Контроллер прост, большинство инструкций реализованы напрямую аппаратно, что упрощает верификацию и уменьшает латентность в критических случаях.
- CISC: многие сложные инструкции реализуются через микрокод (ROM/flash) или через декод в микроопы. Это даёт гибкость (добавить инструкции, исправить баги), но увеличивает сложность логики, latency, энергопотребление и затрудняет верификацию. Современные CISC‑ядра (x86) переводят в micro‑ops и выполняют дальше как RISC-подобные микрокоманды, то есть аппарат внутренне гибридный.
4) Встраиваемые системы и мобильные устройства
- RISC (ARM, RISC‑V): доминируют в мобильных/встраиваемых устройствах из‑за лучшего соотношения производительность/ватт, меньшей площади кристалла, предсказуемости времени исполнения (важно для реального времени) и простоты реализации малопотребляющих ядер. Компрессированные кодовые наборы (Thumb, RVC) улучшают плотность кода и экономию энергии на fetch.
- CISC (x86): исторически доминировал в ПК; встраиваемые применения ограничены из‑за большей сложности и энергозатратности. Однако сложные CISC-инструкции иногда полезны там, где плотность кода критична и где аппаратная поддержка уменьшает нагрузку на софт.
- Практическая тенденция: современные мобильные процессоры используют RISC‑ядра с глубокими микроархитектурами (OOO, многопоточность), а x86 «спрятал» CISC за переводом в micro‑ops — поэтому различия на уровне ISA смазываются аппаратной реализацией.
5) Детали/последствия
- Предсказуемость: RISC — лучше для детерминированных времён исполнения (RTOS), проще анализировать WCET. CISC — из‑за микрокода и вариативных циклов сложнее.
- Плотность кода: CISC чаще выигрывает, но RISC с компрессией достигает близких значений.
- Сложность валидации и встраивания патчей: CISC‑микрокод позволяет исправлять поведение без изменения железа, но добавляет риск и сложность поддержки.
- Плата за backward compatibility: CISC (x86) вынужден поддерживать устаревшие режимы, что увеличивает сложность и энергопотребление.
Краткий вывод: RISC-концепция облегчает аппаратную реализацию с низким энергопотреблением и предсказуемым поведением, но перекладывает больше задач на компилятор; CISC может дать лучшую кодовую плотность и сократить число инструкций, но за счёт сложного декодера/микрокода увеличивает аппаратную сложность и часто расход энергии. В современных системах границы стерты: x86 внутренне RISC‑подобен, а RISC‑архитектуры используют компрессию и сложные микроархитектурные приёмы для повышения плотности и производительности.